混空輕烴燃?xì)饷芏扔?jì)算方法的研究

樊玉光,魏 嘉,張 碩,史冬雨

西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 （陜西 西安 710065）

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 341—2010《混空輕烴燃?xì)狻?，混空輕烴燃?xì)馐且暂p烴燃料為原料，經(jīng)過(guò)工藝裝置氣化與空氣形成的混合燃?xì)鈁1]。其使用的原料大部分為C5、C6組成的烴類(lèi)混合物，這種烴類(lèi)在常溫下為液態(tài)，將這種混合烴氣化后，按照一定比例與空氣混合后變成氣態(tài)燃?xì)夤┕I(yè)或者居民使用。

混空輕烴燃?xì)獬司邆渑c天然氣相同的特點(diǎn)，如使用方便、清潔環(huán)保的優(yōu)勢(shì)外，作為城市燃?xì)膺€將大大提高石油冶煉副產(chǎn)品的工業(yè)價(jià)值，優(yōu)化能源資源的合理配置?；炜蛰p烴燃?xì)獾纳a(chǎn)過(guò)程中，其產(chǎn)量的計(jì)算必須依靠混合燃?xì)獾拿芏葋?lái)計(jì)算液態(tài)輕烴可以生產(chǎn)的輕烴混合燃?xì)?。在混合燃?xì)獾倪\(yùn)輸過(guò)程中，混合燃?xì)獾拿芏汝P(guān)系到管路以及動(dòng)力設(shè)備的選擇；在混合燃?xì)獾膬?chǔ)存過(guò)程中，混合燃?xì)獾拿芏仁菦Q定燃?xì)鈨?chǔ)存方式的重要因素。另外，混合燃?xì)獾拿芏燃跋鄬?duì)密度對(duì)于燃?xì)獾陌踩Ｕ洗胧┯兄卮笠饬x，例如根據(jù)其相對(duì)密度的大小就可以判斷當(dāng)這種燃?xì)庑孤r(shí)，泄漏氣聚集的位置，對(duì)于人員的疏散方式至關(guān)重要。但在CJ/T 341—2010《混空輕烴燃?xì)狻分?，?duì)于混空輕烴燃?xì)饷芏葲](méi)有明確的計(jì)算方法。

1 混空輕烴燃?xì)饷芏鹊睦碚撚?jì)算方法

混空輕烴燃?xì)饷芏鹊睦碚撚?jì)算方法需要先通過(guò)理想氣體狀態(tài)方程PM=ρRT，計(jì)算理想氣體的密度壓縮因子Z進(jìn)行修正，將理想氣體的密度轉(zhuǎn)換成真實(shí)氣體的密度，具體方法如下。

1.1 理想氣體密度的計(jì)算方法

理想氣體的密度：

式中：ρ0為理想氣體的密度，g/m3；P為理想氣體的壓力，Pa；M為混空輕烴燃?xì)獾哪栙|(zhì)量，g/mol；R為摩爾氣體常數(shù)，J/（mol·K）；T為絕對(duì)溫度，K。

理想氣體的相對(duì)密度：

式中：S0為理想氣體的相對(duì)密度；Mair為標(biāo)準(zhǔn)組成干空氣的摩爾質(zhì)量，g/mol。

1.2 燃?xì)庹鎸?shí)氣體密度計(jì)算方法

真實(shí)氣體的密度：

式中：ρ為真實(shí)氣體的密度，g/m3；Zmix為真實(shí)氣體的壓縮系數(shù)。

真實(shí)氣體的相對(duì)密度：

式中：S氣為真實(shí)氣體的相對(duì)密度；S0為理想氣體的相對(duì)密度；Zair為標(biāo)準(zhǔn)組成干空氣的壓縮因子；Zmix為氣體的壓縮因子。

2 混空輕烴燃?xì)饷芏鹊臉?biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法

2.1 密度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的選擇

在與燃?xì)庥嘘P(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中，GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》[2]、GB 13612—2006《人工煤氣》[3]、GB 17820—2012《天然氣》[4]、GB/T 12206—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)鉄嶂岛拖鄬?duì)密度測(cè)定方法》[5]、GB/T 13611—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸?lèi)和基本特性》[6]，GB/T 3345—2016《煤制合成天然氣》[9]、CJ/T 341—2010《混空輕烴燃?xì)狻穂1]中對(duì)于燃?xì)饷芏鹊挠?jì)算均是采用GB/T 11062—2014《天然氣發(fā)熱量、密度、相對(duì)密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法》[8]中的方法。

在GB/T 11062—2014《天然氣發(fā)熱量、密度、相對(duì)密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法》中規(guī)定：已知用摩爾分?jǐn)?shù)表示的氣體組成時(shí)，計(jì)算干天然氣、天然氣代用品和其他氣體燃料的高位發(fā)熱量、低位發(fā)熱量、密度、相對(duì)密度及沃泊指數(shù)的方法[8]。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于任何干天然氣、天然氣代用品以及通常是氣體狀態(tài)的其他燃料。所以對(duì)于混空輕烴燃?xì)?，也可以使用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行密度的計(jì)算。GB/T 11062—2014標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)也提到對(duì)于以體積為基準(zhǔn)的物性計(jì)算，本方法僅限于組成中甲烷摩爾分?jǐn)?shù)不小于0.5的氣體。所以需要判斷GB/T 11062—2014標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于甲烷摩爾分?jǐn)?shù)大于0.5的混空輕烴密度計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2.2 根據(jù)GB/T 11062—2014計(jì)算混空輕烴的密度

2.2.1 方法提要

當(dāng)已知?dú)怏w組成時(shí)，先對(duì)氣體混合物中所有組分的理想氣體物性值，按各自相應(yīng)的摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)行加權(quán)，然后將所有各項(xiàng)加和后，得到理想氣體混合物的物性值。對(duì)于以體積為基準(zhǔn)的物性值，通過(guò)使用壓縮因子將其轉(zhuǎn)化為真實(shí)氣體的物性值[8]。

2.2.2 混空輕烴密度的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

GB/T 11062—2014《天然氣發(fā)熱量、密度、相對(duì)密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法》進(jìn)行計(jì)算燃?xì)饷芏鹊姆椒ㄅc理論計(jì)算方法類(lèi)似，只是在計(jì)算真實(shí)氣體密度及相對(duì)密度時(shí)，需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中壓縮因子的計(jì)算方法和參數(shù)。

由多種單一氣體組成的天然氣壓縮因子Zmix的計(jì)算公式如下：

式中：xi為混空輕烴組分i的摩爾分?jǐn)?shù)；bj為求和因子；Zi為在不同溫度與壓力下的各種組分的壓縮因子。在GB/T 11062—2014中給出了不同參比條件下的壓縮因子Zi和求和因子bj。

3 混空輕烴燃?xì)鈱?shí)例計(jì)算分析

進(jìn)行混空輕烴燃?xì)鈱?shí)例計(jì)算，液體燃料的成分見(jiàn)表1。

表1 輕烴成分組成表 /%

燃料氣化后分別按照體積分?jǐn)?shù)1:4、1:3、1:2與空氣進(jìn)行混合，制成混空輕烴燃?xì)?。?duì)其分別使用理論方法和標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11062—2014中的方法進(jìn)行密度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法和已知物性均是來(lái)自于GB/T11062—2014《天然氣發(fā)熱量、密度、相對(duì)密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法》，由于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11062—2014提到本方法僅局限于組成中甲烷摩爾分?jǐn)?shù)不小于0.5的氣體[8]。究其原因是標(biāo)準(zhǔn)方法不宜用于人造氣體壓縮因子的計(jì)算，實(shí)際使用中代替或者提高天然氣效能的氣體，其組成不同于天然氣，使用這種方式進(jìn)行計(jì)算后，預(yù)期不確定度難以估計(jì)[9]。所以，針對(duì)這種混空輕烴的密度計(jì)算，需要判斷其準(zhǔn)確性。

表2 混空輕烴密度計(jì)算結(jié)果

利用理論計(jì)算得到的混空輕烴的密度與使用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的密度在燃空比分別為1：2、1：3、1：4時(shí)的誤差分別為6.8%、5.7%、7.3%。故針對(duì)這種混空輕烴燃?xì)猓诠こ桃笳`差在10%以?xún)?nèi)時(shí)可以使用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法進(jìn)行密度的計(jì)算。

4 結(jié)論

混空輕烴燃?xì)庾鳛橐环N前景廣闊的新型能源，完善其密度計(jì)算方法對(duì)這種燃?xì)獾纳a(chǎn)使用和推廣均有重要作用。

經(jīng)過(guò)對(duì)混空輕烴燃?xì)獾姆治?，整理出這種新型燃?xì)獾拿芏壤碚撚?jì)算方法。參考天然氣密度的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合混空輕烴燃?xì)鈱?shí)際案例進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)混空輕烴密度計(jì)算中的誤差，判斷標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11062—2014《天然氣發(fā)熱量、密度、相對(duì)密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法》的準(zhǔn)確性及適用范圍。

參考文獻(xiàn)：

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